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Liceo scientifico De RUGGIERI -Massafra- Responsabile Prof. Orazio PICCOLO.

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Presentazione sul tema: "Liceo scientifico De RUGGIERI -Massafra- Responsabile Prof. Orazio PICCOLO."— Transcript della presentazione:

1 Liceo scientifico De RUGGIERI -Massafra- Responsabile Prof. Orazio PICCOLO

2 Oggetto Alcuni caratteri dei suoni e misure di intensità acustica all interno della nostra scuola

3 OBIETTIVI Contribuire al rafforzamento della mentalità scientifica di natura laboratoriale in modo che gli allievi costruiscano qualcosa di proprio inerente il Progetto

4 Finalita Dare allallievo dellultimo o penultimo anno di corso una visione dinsieme concernente i fenomeni acustici spesso non affrontati nellarco del quinquennio e metterli in condizione di progettare con le proprie mani qualche esperimento

5 Materiale dello scrivente Materiale del laboratorio della scuola Materiale didattico del Dipartimento di Fisica dellUniversità di Bari

6 Esercitazioni sperimentali 1.Produzione di vari suoni ed analisi alloscilloscopio; 2.Caratteri distintivi dei suoni: intensità, altezza e timbro visti alloscilloscopio; 3.Misura della velocità del suono nellaria; 4.Battimenti; 5.Interferenza; 6.Diffrazione con limpiego di ultrasuoni; 7.Produzione di onde stazionarie in un tubo aperto; 8.Analogie con le onde acustiche e le onde di un endoscopio; 9.Analogie con i fenomeni ottici di interferenza e di diffrazione.

7 Misura della velocità del suono nellaria Apparecchiatura necessaria: 1.Oscilloscopio; 2.Generatore di funzioni; 3.Amplificatore di segnali; 4.Altoparlante allinterno di un tubo lungo una cinquantina di cm, diametro 6 cm; 5.Microfono che scorre dentro il tubo dal punto 4; 6.Preamplificatore per il microfono; 7.Metro. Il tutto è assemblato come in Fig. 1 (schema a blocchi) AB Oscilloscopio Generatore di funzioni Amplificatore Alimentatore Altoparlante + microfono nel tubo Preamplificatore Alimentatore Fig.1

8 Schema strumentale dellesperienza Misura della velocità del suono nellaria

9 Per la misura della velocità del suono, sono possibili due procedure: 1 a Procedura: Si porti il generatore di funzioni a una frequenza stabilita,p.e. 6000Hz; si invia il segnale prelevato dallaltoparlante al canale A delloscilloscopio, mentre il segnale captato dal microfono attraverso il preamplificatore, lo si invia al canale B delloscilloscopio che lavora nella funzione DUAL per analizzare contemporaneamente i due segnali. Partiamo da due segnali in fase: i massimi e i minimi dei due segnali si corrispondono; spostiamo lentamente il microfono allinterno del tubo fino ad ottenere nuovamente i segnali in fase: ciò significa che ci siamo riportati col microfono di una lunghezza donda, che misuriamo col metro. Fig.2

10 Il grosso dellerrore sta nella misura del, che comporta un errore assoluto di un paio di millimetri, cioè = (5,7 ± 0,2) cm, mentre la lettura data dal frequenzimetro del generatore di funzioni può scartare di qualche unità, ossia = (6000 ± 1) Hz Lerrore su vale quindi una decina di m/s Dall equazione fondamentale dell onda otteniamo la velocità di propagazione del suono nellaria. Per = 6000 Hz, abbiamo misurato = 5,7 cm, per cui 6000 Hz * 5,7 cm = 342 m/s Ad ogni modo Δ f è trascurabile rispetto a Δ, quindi : Da cui di conseguenza la misura della sarà:

11 2 a Procedura: La Base Tempi delloscilloscopio viene tenuta nella posizione B, nel qual caso il puntino luminoso, in assenza di segnale, è fermo al centro dello schermo delloscilloscopio. Questa volta il segnale dellaltoparlante farà oscillare il punto luminoso lungo un segmento verticale (asse Y),mentre sul canale B il microfono manderà un segnale che farà oscillare il punto luminoso lungo lasse X. Ne consegue che il punto sarà sottoposto a due oscillazioni fra loro perpendicolari ed aventi ovviamente la stessa frequenza: quella letta sul generatore di funzioni. ANALISI DEI SEGNALI dove A e B sono i valori massimi di d.d.p. (misurati in cm) che caratterizzano i due segnali. Eseguendo il rapporto della (1), si ha : Se su x e su y arrivano due segnali in fase, avremo: (1) (2)

12 E lequazione di una retta, nel nostro caso di un segmento, contenuto nel 1° e 3° quadrante (Fig.3) Fig.3 Se spostiamo il microfono allinterno del tubo di qualche cm, possiamo cogliere la posizione in cui i segnali sono in quadratura e in tal caso la Fig.3 diventa unellisse. Fig.4: il pennello luminoso descrive una traiettoria ellittica. Fig.4

13 Per essere in quadratura i due segnali saranno del tipo (ellisse di Fig.4): Fig.4

14 Spostando ancora il microfono di qualche cm allinterno del tubo si capta la posizione in cui i due segnali sono in opposizione di forza, perciò differiscono di /2. Sulloscilloscopio è visibile un segmento contenuto nel 2° e 4° quadrante. Avremo: Perciò il rapporto: che è il segmento a coefficiente angolare negativo. -AA B -B Fig.5

15 Spostando ancora il microfono di qualche cm si passa nuovamente alla Fig.3; poi alla Fig.4 e successivamente alla Fig.5. Se passiamo dalla Fig.3 e giungiamo nuovamente alla Fig.3, vuol dire che ci siamo spostati col microfono di una lunghezza donda. Da Fig.3 a Fig.4 il cammino del microfono è di /4; da Fig.3 a Fig.5 il cammino è di /2. Anche qui facendo i calcoli coi valori della 1 a procedura, otteniamo gli stessi risultati. Vantaggi della 2 a procedura I vantaggi sono dati dalla maggiore stabilità della figura sullo schermo e poi dalla possibilità di misurare anche le frazioni di lunghezza donda, cosa molto difficile con la 1 a procedura. Altro vantaggio è dato dalla possibilità di verificare lequazione f = per un maggior range di frequenza. Tutte confermano lequazione fondamentale delle onde.

16 INTERFERENZA CON LONDOSCOPIO Obiettivo dellesperimento è evidenziare linterferenza utilizzando le onde generate nellendoscopio, mostrando ancora una volta che linterferenza è un fenomeno tipico delle onde qualunque sia la loro natura. Materiale occorrente Un ondoscopio completo di accessori, completo di lampada stroboscopica. Il luogo di cui si parla è liperbole. Esecuzione dellesperimento Dopo aver collegato al generatore di onde laccessorio a doppia punta, lo si attiva e attraverso il disco stroboscopico, si fermi la figura, visibile nella pagina successiva. La zona in cui lacqua appare ferma è un luogo geometrico in cui la differenza di cammino tra il punto considerato e le due sorgenti S¹ e S² è un numero semintero di mezza lunghezza donda, cioè (1)

17 INTERFERENZA CON LONDOSCOPIO

18 Ponendoci nella 2° zona : n° 2 (2) perciò : Identico al valore corrispondente utilizzando la 1° zona. ( Come deve essere !!) perciò Attraverso la (1) è possibile misurare direttamente. Ponendoci p.e. nella zona in cui n= 1, abbiamo avuto:

19 MATERIALI IMPIEGATI 1)Generatore di bassa frequenza (B.F.); 2)Amplificatore e alimentatore; 3)Coppia di altoparlanti; In figura è rappresentato uno schema a blocchi: INTERFERENZA ACUSTICA Obiettivo di questo esperimento è evidenziare linterferenza prodotta da due sorgenti sincrone acustiche, sottolineando che questo fenomeno è tipicamente collegato alla natura ondulatoria del suono. GENERATORE B. F. AMPLIFICATORE ALIMENTATORE COPPIA DI ALTOPARLANTI

20 A titolo applicativo associamo due foto dellapparato sperimentale

21 Condotta dell esperimento Ponendo il generatore BF su una frequenza dai 4000 ai 6000 Hz ed esplorando con lorecchio la zona antistante i due altoparlanti, l orecchio percepisce la zona in cui il suono è più intenso e la zona in cui cè silenzio. Perché accade questo ? Siano S 1 e S 2 le due sorgenti sincrone che emettono onde ad una assegnata frequenza. Sullasse del segmento S 1 S 2 il suono è più rafforzato, dato che tutti i punti dellasse sono equidistanti dagli estremi medesimi, perciò preso un punto P qualsiasi dellasse, le zone di compressione e di rarefazione delle onde acustiche giungeranno contemporaneamente ed il risultato finale sarà un rafforzamento del suono (vedi fig. 1). In P il suono è più intenso dato che :

22 Lorecchio capta zone di silenzio, infatti se la (2) è verificata, cioè se la differenza di cammino è pari a un numero intero dispari di semilunghezze donda, queste interferiranno distruttivamente, perché mentre arriva in P da S 1 una zona di compressione, nello stesso istante da S 2 giungerà una zona di rarefazione, perciò il risultato finale sarà la cessazione del segnale e quindi il silenzio. in P ci sarà un rafforzamento del segnale, perciò lorecchio rileverà il suono. Per percepire le diverse zone è conveniente muoversi lentamente e a semicerchi davanti ai due altoparlanti ad un paio di metri di distanza dagli stessi. E da notare che il luogo geometrico della (2) o della (3) è uniperbole. Se invece il punto P si trova in una posizione tale che: (2) ovvero (1) (3) Al contrario, se

23 Spostarsi con lorecchio di un mm e percepire diversità acustiche è pura follia. A voler utilizzare linterferenza acustica per la misura di, non è certo lorecchio il miglior rivelatore. Ci sarebbero gli altri problemi da valutare come la sfericità dellonda acustica e laltezza dellorecchio dallaltoparlante, pertanto lesperimento ha avuto solo valenza qualitativa. Attraverso la (2) o la (3) è possibile stimare la lunghezza donda, anche se questo esperimento non è lideale per questa misura, tantè vero che non labbiamo utilizzato, perché lerrore associato sarebbe stato superiore alla medesima lunghezza donda. Infatti per f =5000 Hz e =340 m/s [risultato ricavato dalla verifica della velocità del suono in un altro esperimento], avremmo ottenuto una pari a : (4)


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